很早我们就知道,水是不导电的,除非水里有杂质。但世界上自然形成的水不可能没有杂质,所以水又都是导电的。曾经听说有人到水库钓鱼,没想到却一命呜呼,原来是没选好位置,鱼线拉到高压线上,触电身亡,水中的杂质如此害人啊。
那么是不是纯水就真的不导电了呢?答案是否定的。200年前,德国化学家T·格罗特斯提出了格罗特斯机制,认为水分子可以通过传递富余质子导电。当然纯水的导电能力非常差,但它却是一种很好的离子溶剂,比如溶解的盐和金属离子,其导电性能就非常好。但是,尽管这种机制在生物学和化学中至关重要,水传导电的方式却从未在分子层面上真正被理解过。
近日,耶鲁大学化学教授马克·约翰逊领导的一个团队,利用极其牛掰的设备,在非常极端的条件下,深入分子尺度的微观世界“现场观摩”,第一次拍到了水分子中质子传递过程的光谱快照,研究发表在《科学》杂志上。
(牛顿摆)
科学家们用氢的同位素氘制成重水分子,将其冻结在绝对零度附近的极限状态。这种技术是约翰逊和他的团队专门开发的,可以通过快速冷冻的方法将化学过程瞬间冻结,方便设备拍照观察。通过这种方法,他们发现质子的传递过程有点像牛顿摆,几个球用线悬挂呈一条直线,拉开一个球撞击这些球,只有最后一个会弹开,其它的不受影响。
其实还有一个更简单的比喻,许多氧原子站成一排,左手一个氢核(质子),右手一个氢核,这时不知哪个天杀的又扔了个氢核过来,其中一个氧原子只好临时长出一只手来接住,马上就觉得太烫手了,赶紧把原来手上的一个氢核扔给旁边的氧原子,所有氧原子都照此法动作,质子就被传递过去了,由于质子带正电荷,所以就形成了电荷的传导。
(哪个天杀的在乱扔质子?)
这种机制实际在自然界经常发生,比如生物体细胞内的质子传导,光线撞击视网膜的时候等。质子传导和质子导电材料也在燃料电池、电化学传感器、水蒸汽电解以及生物系统中起着越来越重要的作用,比如未来的氢能源电池。约翰逊团队使用的技术也是革命性的,它对我们研究水的其它性质,比如水在碳纳米管中105摄氏度时不沸腾反而冻结,以及物质在微观状态下的性质提供了强大的工具。可参见笔者另一篇文章《》。
这一牛掰设备拍到的光谱快照目前并未放出,故仅以示意图代替。
联系客服